DE102020209052A1 - CORROSION-RESISTANT OXIDE FILMS AND APPLICATION FOR BIPOLAR FUEL CELL PLATE - Google Patents
CORROSION-RESISTANT OXIDE FILMS AND APPLICATION FOR BIPOLAR FUEL CELL PLATE Download PDFInfo
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Abstract
Korrosionsbeständige Oxidfilme für die Verwendung mit Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen werden beschrieben. Bipolare Platten von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen sind stark sauren Umgebungen ausgesetzt, die das Massematerial und die damit zusammenhängenden Eigenschaften der bipolaren Platte beeinträchtigen können, wobei dies zu herabgesetzten Lebensdauern von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen führt. Materialien, Strukturen und Techniken zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit von bipolaren Platten werden offenbart. Solche Materialien schließen Substrate mit einem Oberflächenbereich ein, der eine Fe2O3-Oxidschicht mit (110)-, (012)- oder (100) Fe2O3-0berflächenfacetten einschließt, die so konfiguriert sind, dass sie dem Substrat Korrosionsbeständigkeitseigenschaften verleihen.Corrosion resistant oxide films for use with proton exchange membrane fuel cells are described. Proton exchange membrane fuel cell bipolar plates are exposed to highly acidic environments which can affect the bulk material and related properties of the bipolar plate, resulting in reduced proton exchange membrane fuel cell lifetimes. Materials, structures, and techniques for increasing the corrosion resistance of bipolar plates are disclosed. Such materials include substrates having a surface area that includes an Fe2O3 oxide layer with (110), (012), or (100) Fe2O3 surface facets configured to impart corrosion resistance properties to the substrate.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Offenbarung ist allgemein auf korrosionsbeständige Oxidfilme in Hinsicht auf die Verwendung für Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen gerichtet. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf bipolare Platten von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen mit korrosionsbeständigen Substratoberflächenstrukturen aus Eisenoxid sowie auf Verfahren zur Herstellung derselben.The present disclosure is directed generally to corrosion resistant oxide films for use in proton exchange membrane fuel cells. In particular, the present disclosure relates to proton exchange membrane fuel cell bipolar plates having corrosion resistant substrate surface structures made of iron oxide and to methods of making the same.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Brennstoffzellen und im Besonderen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) sind vielversprechend als Energiequellen mit hoher Effizienz, hoher Leistungsdichte, relativ geringem Gewicht und ohne Kohlendioxidausstoß für die Verwendung in einem breiten Spektrum von Anwendungen. Solche Anwendungen schließen Transport, stationäre Energieerzeugung und transportable Energieerzeugung ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Besonders relevant für ihre Anwendungen in Automobilen und für mit anderen Transportarten verbundene Anwendungen repräsentiert die PEMFC eine umweltfreundliche Alternative zu internen Verbrennungsmaschinen für eine Vielzahl von Kraftfahrzeugen.Fuel cells, and in particular proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), show promise as energy sources with high efficiency, high power density, relatively light weight and zero carbon dioxide emissions for use in a wide range of applications. Such applications include, but are not limited to, transportation, stationary power generation, and portable power generation. Particularly relevant for its applications in automobiles and for applications associated with other modes of transport, the PEMFC represents an environmentally friendly alternative to internal combustion engines for a large number of vehicles.
PEMFCs arbeiten auf der Basis des Transfers von Protonen zwischen einer Anode und einer Kathode. Schlüsselkomponenten von PEMFCs schließen u.a. eine Protonenaustauschmembran, durch welche Protonen übertragen werden, und eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), in der die Protonenaustauschmembran eingeschlossen ist, ein. PEMFCs schließen auch bipolare Platten (BPPs) ein, die einzelne Brennstoffzellen in Reihe verbinden und trennen, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Neben anderen Funktionen liefern BPPs die erforderliche Spannung, unterstützen die Verteilung von Brenn- bzw. Treibgas und Sauerstoff über die aktive Oberfläche der MEA und leiten elektrischen Strom von der Anode einer Zelle zu der Kathode der nächsten innerhalb des Stapels. Im Hinblick auf eine solche Funktionalität müssen BPPs nicht nur ausreichend chemisch inert sein, um einem Abbau in der hoch korrosiven Umgebung der Brennstoffzelle zu widerstehen, sondern auch ausreichend elektrisch leitend, um den Elektronentransfer für die Sauerstoffreduktionsreaktion der Brennstoffzelle zu ermöglichen.PEMFCs work on the basis of the transfer of protons between an anode and a cathode. Key components of PEMFCs include a proton exchange membrane, through which protons are transferred, and a membrane-electrode assembly (MEA), in which the proton exchange membrane is enclosed. PEMFCs also include bipolar plates (BPPs) that connect and disconnect individual fuel cells in series to form a fuel cell stack. Among other functions, BPPs provide the necessary voltage, help distribute fuel or propellant gas and oxygen over the active surface of the MEA, and conduct electrical current from the anode of one cell to the cathode of the next within the stack. With regard to such functionality, BPPs must not only be sufficiently chemically inert to withstand degradation in the highly corrosive environment of the fuel cell, but also sufficiently electrically conductive to allow electron transfer for the oxygen reduction reaction of the fuel cell.
BPPs können 60 bis 80% des Gewichts des PEMFC-Stapels ausmachen und gehören zu den teuersten PEMFC-Komponenten, die oft zwischen 25% und 45% der Stapelkosten beitragen. Obwohl andere Metalle, wie Titan und Aluminium, verwendet werden können, werden BPPs typischerweise aus rostfreiem Stahl hergestellt. Da der PEMFC-Betrieb typischerweise in stark sauren Umgebungen stattfindet, sind BPP-Materialien mit hoher Korrosionsbeständigkeit für den Langzeit-PEMFC-Betrieb erwünscht. Behandlungstechniken, wie das Einführen von leitenden Oxid- und/oder Nitrid-Überzügen für BPPs aus rostfreiem Stahl können zur Verbesserung ihrer Lebensdauer in der sauren PEMFC-Umgebung beitragen. Trotz des Potentials solcher Techniken ist die korrodierende Entstehung von Fe2O3 unvermeidbar, wenn Fe-Metall gegenüber Wasser und Sauerstoff ausgesetzt wird, wie es unter den sauren Betriebsbedingungen der PEMFC-Umgebung stattfindet. Demzufolge sind Materialien, Strukturen und Techniken für die Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit von BPP-Materialien erwünscht.BPPs can make up 60 to 80% of the weight of the PEMFC stack and are among the most expensive PEMFC components, often accounting for between 25% and 45% of the stack cost. Although other metals such as titanium and aluminum can be used, BPPs are typically made from stainless steel. Since PEMFC operation typically takes place in highly acidic environments, BPP materials with high corrosion resistance are desirable for long term PEMFC operation. Treatment techniques such as the introduction of conductive oxide and / or nitride coatings for stainless steel BPPs can help improve their lifespan in the acidic PEMFC environment. Despite the potential of such techniques, the corrosive formation of Fe 2 O 3 is inevitable when Fe metal is exposed to water and oxygen, as occurs under the acidic operating conditions of the PEMFC environment. Accordingly, materials, structures, and techniques for increasing the corrosion resistance of BPP materials are desired.
KURZFASSUNGSHORT VERSION
In wenigstens einer Ausführungsform wird ein korrosionsbeständiges Substrat offenbart. Das Substrat kann einen Massenbereich und einen Oberflächenbereich, der eine Fe2O3-Oxidschicht mit (110)-, (012)- oder (100)-Fe2O3-Oberflächenfacetten aufweist, die konfiguriert sind, um dem Substrat Korrosionsbeständigkeitseigenschaften zu verleihen, einschließen. In einigen Ausführungsformen ist die Fe2O3-Oxidschicht zwischen 0,001 und 0,5 µm dick. Des Weiteren kann die Fe2O3-Oxidschicht des korrosionsbeständigen Substrats durch eine Oberflächenmorphologie mit einer ersten Oberflächenfacettengruppe, die (110)-, (012)- oder (100)-Fe2O3-Oberflächenfacetten einschließt, und einer zweiten Oberflächenfacettengruppe, die (001)- oder (101)-Fe2O3-Oberflächenfacetten einschließt, so charakterisiert sein, dass die Fe2O3-Oxidschicht vorwiegend aus der ersten Oberflächenfacettengruppe aufgebaut ist. In Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsform(en) kann der Oberflächenbereich des korrosionsbeständigen Substrats einen schützenden Überzug einschließen, der MgO, Al2O3, TiO2 oder ZrO2 umfasst. In einer anderen Ausführungsform kann der Oberflächenbereich des korrosionsbeständigen Substrats einen schützenden Überzug einschließen, der aus ternären (oder höheren) chemischen Verbindungen, wie, zum Beispiel ABOx, gebildet ist, wobei A Mg, Al, Ti oder Zr ist, B Zn, Sn, Cr oder Mo ist und x eine ganze Zahl im Bereich von 1 bis 8 ist.In at least one embodiment, a corrosion resistant substrate is disclosed. The substrate may have a bulk region and a surface region comprising an Fe 2 O 3 oxide layer with (110), (012), or (100) Fe 2 O 3 surface facets configured to impart corrosion resistance properties to the substrate , lock in. In some embodiments, the Fe 2 O 3 oxide layer is between 0.001 and 0.5 µm thick. Furthermore, the Fe 2 O 3 oxide layer of the corrosion-resistant substrate can be formed by a surface morphology with a first surface facet group that includes (110), (012) or (100) -Fe 2 O 3 surface facets, and a second surface facet group that includes (001) - or (101) -Fe 2 O 3 surface facets, be characterized in such a way that the Fe 2 O 3 oxide layer is predominantly built up from the first group of surface facets. In accordance with one or more embodiments, the surface area of the corrosion resistant substrate can include a protective coating comprising MgO, Al 2 O 3 , TiO 2, or ZrO 2 . In another embodiment, the surface area of the corrosion resistant substrate can include a protective coating formed from ternary (or higher) chemical compounds such as, for example, ABO x , where A is Mg, Al, Ti or Zr, B is Zn, Sn , Cr or Mo and x is an integer ranging from 1 to 8.
In einer anderen Ausführungsform wird eine bipolare Platte (BPP) für eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) offenbart. Die BPP kann ein korrosionsbeständiges Substrat, welches einen Massenbereich und einen Oberflächenbereich, der eine Fe2O3-Oxidschicht mit (110)-, (012)- oder (100)-Fe2O3-Oberflächenfacetten umfasst, die konfiguriert sind, um dem Substrat Korrosionsbeständigkeitseigenschaften zu verleihen, aufweist, einschließen. In einigen Ausführungsformen ist die Fe2O3-Oxidschicht zwischen 0,001 und 0,5 µm dick. Die Fe2O3-Oxidschicht des korrosionsbeständigen Substrats kann durch eine Oberflächenmorphologie mit einer ersten Oberflächenfacettengruppe, die (110)-, (012)- oder (100)-Fe2O3-Oberflächenfacetten einschließt, und einer zweiten Oberflächenfacettengruppe, die (001)- oder (101)-Fe2O3-Oberflächenfacetten einschließt, derartig charakterisiert sein, dass die Fe2O3-Oxidschicht vorwiegend aus der ersten Oberflächenfacettengruppe aufgebaut ist. Das BPP-Substrat kann aus rostfreiem Stahl aufgebaut sein. Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsform(en) kann der Oberflächenbereich des BPP-Substrats einen schützenden Überzug einschließen, der MgO, Al2O3, TiO2 oder ZrO2 umfasst. In einer anderen Ausführungsform kann der Oberflächenbereich des BPP-Substrats einen schützenden Überzug einschließen, der aus ternären (oder höheren) chemischen Verbindungen, wie zum Beispiel ABOx, gebildet wird, wobei A Mg, Al, Ti oder Zr ist, B Zn, Sn, Cr oder Mo ist und x eine ganze Zahl im Bereich von 1 bis 8 ist. In einer oder mehreren der Ausführungsformen ist die Korrosionsbeständigkeit des Oberflächenbereichs des BPP-Substrats weniger als 1 µA cm-2 bei 80°C, einem pH-Wert zwischen 2 und 3 und in der Gegenwart von etwa 0,1 ppm HF.In another embodiment, a bipolar plate (BPP) for a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is disclosed. The BPP may be a corrosion-resistant substrate that includes a bulk area and a surface area comprising an Fe 2 O 3 oxide layer with (110), (012), or (100) -Fe 2 O 3 surface facets configured to imparting corrosion resistance properties to the substrate. In some embodiments, the Fe 2 O 3 oxide layer is between 0.001 and 0.5 µm thick. The Fe 2 O 3 oxide layer of the corrosion-resistant substrate can be formed by a surface morphology with a first surface facet group including (110), (012) or (100) -Fe 2 O 3 surface facets and a second surface facet group including (001 ) or (101) -Fe 2 O 3 surface facets, be characterized in such a way that the Fe 2 O 3 oxide layer is predominantly built up from the first group of surface facets. The BPP substrate can be constructed from stainless steel. In one or more embodiment (s), the surface area of the BPP substrate can include a protective coating comprising MgO, Al 2 O 3 , TiO 2, or ZrO 2 . In another embodiment, the surface area of the BPP substrate can include a protective coating formed from ternary (or higher) chemical compounds such as ABO x , where A is Mg, Al, Ti or Zr, B is Zn, Sn , Cr or Mo and x is an integer ranging from 1 to 8. In one or more of the embodiments, the corrosion resistance of the surface area of the BPP substrate is less than 1 µA cm -2 at 80 ° C, a pH between 2 and 3, and in the presence of about 0.1 ppm HF.
In noch anderen Ausführungsformen werden Verfahren zur Herstellung von korrosionsbeständigen Substraten offenbart. Gemäß wenigstens einer Ausführungsform kann das Verfahren das Reinigen eines Substrats aus rostfreiem Stahl mit einem organischen Lösungsmittel und das elektrochemische Oxidieren des Substrats aus rostfreiem Stahl einschließen, um einen korrosionsbeständigen Oberflächenbereich, der eine Fe2O3-Oxidschicht mit (110)-, (012)- oder (100)-Fe2O3-0berflächenfacetten einschließt, zu bilden. In einer anderen Ausführungsform kann das Verfahren das Wachsen Lassen des Fe2O3-Oxidfilms auf einem Substrat aus rostfreiem Stahl durch die Anwendung eines Verfahrens auf der Grundlage einer Lösung einschließen. In einem Beispiel kann eine Hydrolyse bei 80 bis 100°C in einem Wasserbad mit einer unterschiedlichen Alterungszeit von 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 oder 60 Minuten durchgeführt werden. In anderen Beispielen wird eine Hydrolyse bei 25 bis 100°C in einem Wasserbad mit einer Alterungszeit zwischen 1 und 120 Minuten durchgeführt.In yet other embodiments, methods of making corrosion resistant substrates are disclosed. In at least one embodiment, the method may include cleaning a stainless steel substrate with an organic solvent and electrochemically oxidizing the stainless steel substrate to form a corrosion resistant surface area having an Fe 2 O 3 oxide layer with (110) -, (012 ) - or (100) -Fe 2 O 3 surface facets. In another embodiment, the method may include growing the Fe 2 O 3 oxide film on a stainless steel substrate by using a solution based method. In one example, hydrolysis at 80 to 100 ° C in a water bath with a different aging time of 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 or 60 minutes. In other examples, hydrolysis is carried out at 25 to 100 ° C. in a water bath with an aging time between 1 and 120 minutes.
FigurenlisteFigure list
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Die
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, die eine bipolare Platte gemäß einer oder mehreren Ausführungsform(en) einschließt;The1 FIG. 10 is a schematic representation of a proton exchange membrane fuel cell including a bipolar plate in accordance with one or more embodiments; -
Die
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines nicht-einschränkenden Beispiels einer bipolaren Platte mit einem Oberflächenbereich, der eine korrosionsbeständige Eisenoxidstruktur gemäß einer oder mehreren Ausführungsform(en) einschließt;The2 Figure 12 is a perspective view of a non-limiting example of a bipolar plate having a surface area that includes a corrosion resistant iron oxide structure in accordance with one or more embodiments; -
Die
3A bis3E stellen morphologisch signifikante atomare Strukturen von α-Fe2O3-Eisenoxidoberflächen dar;The3A to3E represent morphologically significant atomic structures of α-Fe 2 O 3 iron oxide surfaces; -
Die
4A bis4E stellen atomare Strukturen von Eisenoxidoberflächen, die eine -OH-Terminierung einschließen, dar;The4A to4E represent atomic structures of iron oxide surfaces including an -OH termination; -
Die
5 zeigt eine Graphik, welche die Oberflächenenergie von Eisenoxidoberflächen als eine Funktion einer zunehmenden -OH-Terminierung darstellt;The5 Figure 12 is a graph showing the surface energy of iron oxide surfaces as a function of increasing -OH termination; -
Die
6A und6B zeigen Graphiken, in welchen der Gitterparameter c und der berechnete Bandabstand von Fe2O3, wenn unterschiedliche U-Werte auf Fe in den Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Berechnungen angewandt werden, aufgetragen ist;The6A and6B are graphs plotting the lattice parameter c and the calculated band gap of Fe 2 O 3 when different U-values are applied to Fe in density functional theory (DFT) calculations; -
Die
7A bis7D zeigen Graphiken der Dichte von Zuständen (DOS) von Fe2O3 bei unterschiedlichen U-Werten; undThe7A to7D show graphs of the density of states (DOS) of Fe 2 O 3 at different U-values; and -
Die
8A und8B zeigen Beispiele von Pulver-Röntgenbeugungs (XRD)-Graphiken für zwei verschiedene Fe2O3-Proben.The8A and8B show examples of powder X-ray diffraction (XRD) graphics for two different Fe 2 O 3 samples.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Hierin sind Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten überzeichnet oder minimiert sein, um Details von speziellen Komponenten zu zeigen. Deshalb sind spezifische strukturelle und funktionelle Details, die hierin offenbart werden, nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um eine Fachperson zu unterweisen, die vorliegende Erfindung in unterschiedlicher Weise anzuwenden. Wie Personen mit den üblichen Fachkenntnissen verstehen werden, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf eine beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben werden, mit Merkmalen, die in einer anderen oder mehreren anderen der Figuren veranschaulicht werden, kombiniert werden, um Ausführungsformen bereitzustellen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben werden. Die Kombinationen von Merkmalen, die veranschaulicht werden, stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmenden Merkmale könnten jedoch für spezielle Anwendungen oder Durchführungen erwünscht sein.Embodiments of the present disclosure are described herein. It should be understood, however, that the disclosed embodiments are merely examples, and other embodiments may take various and alternative forms. The figures are not necessarily to scale; some features might be exaggerated or minimized to show details of specific components. Therefore, specific structural and functional details disclosed herein are not to be construed as limiting, but merely as a representative basis for instructing one skilled in the art to practice the present invention in various ways. As those of ordinary skill in the art will understand, various features illustrated and described with reference to any one of the figures may be combined with features illustrated in another or more others of the figures to provide embodiments that do not specifically illustrated or described. The combinations of features that are illustrated provide representative embodiments for typical applications. Various combinations and modifications of the features consistent with the teachings of this disclosure, however, may be desired for particular applications or implementations.
Die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien als für einen bestimmten Zweck in Verbindung mit einer oder mehreren der Ausführungsformen geeignet impliziert, dass Mischungen aus zwei oder mehr beliebigen Mitgliedern der Gruppe oder Klasse geeignet sind. Die Beschreibung von Bestandteilen in chemischen Begriffen bezieht sich auf die Bestandteile zum Zeitpunkt der Zugabe zu jeder beliebigen Kombination, die in der Beschreibung spezifiziert wird, und schließt nicht notwendigerweise chemische Wechselwirkungen unter Bestandteilen der Mischung, nachdem sie vermischt wurden, aus.The description of a group or class of materials as suitable for a particular purpose in connection with one or more of the embodiments implies that mixtures of any two or more members of the group or class are suitable. Description of ingredients in chemical terms refers to the ingredients at the time of addition to any combination specified in the description and does not necessarily preclude chemical interactions among ingredients of the mixture after they have been mixed.
Außer wenn es ausdrücklich angegeben wurde, verstehen sich alle zahlenmäßigen Mengenangaben in dieser Beschreibung, die Dimensionen oder Materialeigenschaften angeben, als durch das Wort „etwa“ bei der Beschreibung des am weitesten gefassten Umfangs der vorliegenden Offenbarung modifiziert.Unless expressly stated, all numerical quantities in this specification that indicate dimensions or material properties are understood to be modified by the word “about” in describing the broadest scope of the present disclosure.
Die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung trifft auf alle anschließenden Verwendungen derselben Abkürzung hierin zu und trifft in entsprechender Anwendung auf normale grammatikalische Abwandlungen der zu Beginn definierten Abkürzung zu. Soweit nicht ausdrücklich etwas Gegenteiliges festgestellt ist, wird der Messwert einer Eigenschaft durch dieselbe Methode, wie zuvor oder später für dieselbe Eigenschaft als Bezug angegeben, bestimmt.The first definition of an acronym or other abbreviation applies to all subsequent uses of the same abbreviation herein and, when applied accordingly, applies to normal grammatical modifications of the abbreviation defined at the beginning. Unless expressly stated otherwise, the measured value of a property is determined by the same method as previously or later stated for the same property as a reference.
Im Einzelnen wird auf Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren von Ausführungsformen, die den Erfindern bekannt sind, Bezug genommen. Allerdings sollte es sich verstehen, dass offenbarte Ausführungsformen lediglich Beispiele der vorliegenden Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen verkörpert sein können. Deshalb sollen hierin offenbarte spezifische Details nicht als einschränkend ausgelegt werden, sondern lediglich als repräsentative Grundlagen, um eine Fachperson zu unterweisen, wie man die vorliegende Erfindung in unterschiedlicher Weise anwendet.Particular reference is made to compositions, embodiments, and methods of embodiments known to the inventors. However, it should be understood that disclosed embodiments are merely examples of the present invention, which may be embodied in various and alternative forms. Therefore, the specific details disclosed herein are not to be construed as limiting, but merely as representative bases for teaching one skilled in the art how to use the present invention in various ways.
Der Begriff „im Wesentlichen“ oder „etwa“ kann hierin zur Beschreibung von offenbarten oder beanspruchten Ausführungsformen verwendet werden. Der Begriff „im Wesentlichen“ oder „etwa“ kann einen Wert oder ein relatives charakteristisches Merkmal modifizieren, das in der vorliegenden Offenbarung offenbart oder beansprucht wird. In solchen Fällen kann „im Wesentlichen“ oder „etwa“ bedeuten, dass der Wert oder das relative charakteristische Merkmal, welchen bzw. welches es modifiziert, innerhalb von ± 0%, 0,1%, 0,5%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5% oder 10% des Wertes oder des relativen charakteristischen Merkmals liegt.The term “substantially” or “about” may be used herein to describe disclosed or claimed embodiments. The term “substantially” or “about” may modify a value or a relative characteristic that is disclosed or claimed in the present disclosure. In such cases, “substantially” or “approximately” can mean that the value or the relative characteristic which it modifies is within ± 0%, 0.1%, 0.5%, 1%, 2 %, 3%, 4%, 5% or 10% of the value or the relative characteristic feature.
Korrosion ist ein natürlicher Prozess, der ein veredeltes Metall in eine chemisch stabilere Form, wie das bzw. die Oxid(e), Hydroxid(en), Sulfid(e) und/oder andere Salze des Metalls, umwandelt. Die Umwandlung stellt eine allmähliche Zerstörung des Metallmaterials dar, die durch elektrochemische Oxidation des Metalls bei der Reaktion mit einem Oxidationsmittel, wie Sauerstoff oder Sulfate, verursacht wird. Korrosion kann durch Exposition des Metallsubstrats gegenüber Feuchtigkeit in der Luft, gegenüber einer Lösung mit einem relativ niedrigen pH-Wert, verschiedenen chemischen Substanzen, wie Säuren, Mikroben, erhöhten Temperaturen und/oder anderen Faktoren hervorgerufen werden. Besonders in sauren Umgebungen beginnt eine Korrosion an der Grenzfläche zwischen der Masse eines Metallmaterials (z. B. Stahl) und einer Lösung (z. B. in Wasser oder einer Oberflächenschicht aus Wasser gelöste Ionen, die unter Zersetzung des Massenmaterials reagieren).Corrosion is a natural process that converts a refined metal into a more chemically stable form, such as the oxide (s), hydroxide (s), sulfide (s) and / or other salts of the metal. The conversion represents a gradual destruction of the metal material caused by electrochemical oxidation of the metal upon reaction with an oxidizing agent such as oxygen or sulfates. Corrosion can result from exposure of the metal substrate to moisture in the air, a solution with a relatively low pH, various chemical substances such as acids, microbes, elevated temperatures, and / or other factors. Particularly in acidic environments, corrosion begins at the interface between the bulk of a metal material (e.g. steel) and a solution (e.g. ions dissolved in water or a surface layer of water which react to decompose the bulk material).
Infolge der stark sauren Betriebsumgebung sind korrosionsbeständige Metalle, Metalloberflächen, Behandlungen und Überzüge von besonderem Nutzen in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC). PEMFCs arbeiten typischerweise unter sauren Bedingungen, wobei der pH-Wert üblicherweise zwischen 2 und 4 liegt. Die Betriebstemperaturen innerhalb eines PEMFC-Stapels reichen von ungefähr 60 bis 85°C. Diese und andere Faktoren tragen zu der stark korrosiven Betriebsumgebung von PEMFCs bei. Zwischen dem Hochfahren und dem Abschalten existieren zum Beispiel niedrige Spannungen innerhalb des PEMFC-Stapels, und während des PEMFC-Betriebs werden Fluorionen infolge des Abbaus der Polymermembran freigesetzt. Des Weiteren liegen sowohl H2 als auch O2 an der Anode während des Hochfahrens und Abschaltens vor, wobei dies ein hohes kathodisches Potential verursacht, das zu einer kathodischen Korrosion führt. Angesichts solcher Bedingungen erfordern PEMFCs langlebige Komponenten, die in der Lage sind, der korrosiven Betriebsumgebung zu widerstehen.Due to the highly acidic operating environment, corrosion resistant metals, metal surfaces, treatments, and coatings are of particular use in proton exchange membrane fuel cells (PEMFC). PEMFCs typically operate under acidic conditions, with the pH usually between 2 and 4. Operating temperatures within a PEMFC stack range from approximately 60 to 85 ° C. These and other factors contribute to the highly corrosive operating environment of PEMFCs. For example, between startup and shutdown there are low voltages within the PEMFC stack, and fluorine ions are released during PEMFC operation as a result of the degradation of the Polymer membrane released. Furthermore, both H 2 and O 2 are present at the anode during start-up and shutdown, which causes a high cathodic potential, which leads to cathodic corrosion. In light of such conditions, PEMFCs require durable components that are able to withstand the corrosive operating environment.
Frühere Brennstoffzellensysteme verwendeten häufig Graphit für die bipolare Platte (BPP) der PEMFC, weil Graphit eine hohe chemische Stabilität und Leitfähigkeit innerhalb der PEMFC-Umgebung erreichen kann. Graphit ist jedoch sowohl spröde als auch teuer. Rostfreier Stahl gilt heutzutage gemeinhin aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Stabilität, elektrischen und thermischen Leitfähigkeiten und seiner relativ einfachen Herstellung als einer der besten Kandidaten für BPPs. Rostfreier Stahl ist natürlich die allgemeine Bezeichnung für eine Reihe von verschiedenen Stahlzusammensetzungen. Rostfreie Stähle schließen typischerweise wenigstens 10% Chrom (Cr) ein, das eine stabile Chromoxid-Oberflächenschicht bilden kann, die bekanntermaßen ein „Einfärben“ der Metalloberfläche verhindert. SS304 und SS316 sind zwei der häufigsten Zusammensetzungen von rostfreiem Stahl. SS304 enthält 18% Cr und 8% Nickel (N1). SS316 enthält 16% Cr, 10% Ni und 2% Molybdän (Mo). In Abhängigkeit von der Art der jeweiligen Anwendung können Zusammensetzungen aus rostfreiem Stahl variiert werden. Eine solche Variation führt zu ausgeprägten mechanischen Stabilitäten, Korrosionsbeständigkeiten und magnetischen Eigenschaften. Wie bekannt ist, schließen, abgesehen von Eisen (Fe), Cr, Ni und Mo, andere Elemente in rostfreiem Stahl folgende ein: Kohlenstoff (-0,03%), Mangan (1 ~ 2%), Silicium (0,5 - 2%), Stickstoff (0,01 - 0,1%), Kupfer (0,5 - 2%) und Cobalt (<0,5%).Earlier fuel cell systems often used graphite for the bipolar plate (BPP) of the PEMFC because graphite can achieve high chemical stability and conductivity within the PEMFC environment. However, graphite is both brittle and expensive. Stainless steel is now widely recognized as one of the best candidates for BPPs because of its excellent mechanical stability, electrical and thermal conductivities, and its relatively easy manufacture. Stainless steel is, of course, the generic name for a number of different steel compositions. Stainless steels typically include at least 10% chromium (Cr), which can form a stable chromium oxide surface layer that is known to prevent “staining” of the metal surface. SS304 and SS316 are two of the most common compositions of stainless steel. SS304 contains 18% Cr and 8% nickel (N 1 ). SS316 contains 16% Cr, 10% Ni and 2% molybdenum (Mo). Stainless steel compositions can be varied depending upon the nature of the particular application. Such a variation leads to pronounced mechanical stability, corrosion resistance and magnetic properties. As is known, apart from iron (Fe), Cr, Ni and Mo, other elements in stainless steel include: carbon (-0.03%), manganese (1 ~ 2%), silicon (0.5 - 2%), nitrogen (0.01-0.1%), copper (0.5-2%) and cobalt (<0.5%).
Obwohl dies weniger als bei reinem Fe der Fall ist, ist rostfreier Stahl dennoch korrosionsanfällig. Eine Korrosion von rostfreiem Stahl findet statt, wenn das Metall gegenüber Wasser/Luft und verschiedenen Verunreinigungen auf den Oberflächen des Metalls ausgesetzt wird und damit reagiert. Wenn Fe gegenüber Wasser und Sauerstoff ausgesetzt wird, führt dies zur Bildung von Rost, wobei dies typischerweise durch die Bildung von rotgefärbtem Oxid gekennzeichnet ist. Rost umfasst die oxidierten Formen von Fe - d.h., hydratisierte Eisen (III)-oxide (insbesondere Fe2O3 ·xH2O) und Eisen (III) oxid-hydroxide (insbesondere FeO(OH) und Fe(OH)3). In sauren Umgebungen kann sich die Bildung von solchen Eisenoxidkomplexen beschleunigen, und einige von diesen Oxiden können sich weiter in der Lösung auflösen.Although this is less the case than pure Fe, stainless steel is still susceptible to corrosion. Corrosion of stainless steel occurs when the metal is exposed to and reacts to water / air and various contaminants on the surfaces of the metal. Exposure to Fe to water and oxygen leads to the formation of rust, which is typically characterized by the formation of red colored oxide. Rust includes the oxidized forms of Fe - ie, hydrated iron (III) oxides (especially Fe 2 O 3 · xH 2 O) and iron (III) oxide hydroxides (especially FeO (OH) and Fe (OH) 3 ). In acidic environments the formation of such iron oxide complexes can accelerate and some of these oxides can further dissolve in the solution.
Wenn die Oxidfilme auf Eisenbasis auf BPPs aus rostfreiem Stahl gebildet werden, werden der Kontaktwiderstand und die elektrische Leitfähigkeit der PEMFC erheblich beeinflusst. Die meisten Oxide sind zum Beispiel Isolatoren und wirken sich daher negativ auf die elektrische Leitfähigkeit des Massenmaterials aus. Dies ist besonders problematisch im Fall von BPPs, die konstruiert sind, damit sie eine in hohem Maße elektronenleitende Beschaffenheit besitzen. Die Bildung von isolierenden Oxidfilmschichten auf BPPs verringert den Transfer von Elektronen, wobei dies zu einer herabgesetzten PEMFC-Leistungsabgabe führen kann. Des Weiteren können Korrosionsfilme mit der Zeit wachsen, wobei dies zu einem größeren Kontaktwiderstand führt. Bezeichnenderweise, wenn die Produkte einer solchen Korrosion ionisiert werden können (z. B. Fe2+ oder Fe3+), kann eine saure Lösung, die solche Ionen enthält, zu anderen Brennstoffzellenkomponenten transportiert werden. Innerhalb von PEMFC-Stapeln kann eine Fe-Auflösung zum Beispiel den Pt-Katalysator vergiften, wobei dies zu verringerten Reaktionsraten von H2- und O2-Adsorptionen, H2O-Bildung und zu schlechten Wirkungsgraden von Brennstoffzellen führt.When the iron-based oxide films are formed on stainless steel BPPs, the contact resistance and electrical conductivity of the PEMFC are greatly affected. Most oxides, for example, are insulators and therefore have a negative effect on the electrical conductivity of the bulk material. This is particularly problematic in the case of BPPs that are designed to be highly electronically conductive. The formation of insulating oxide film layers on BPPs reduces the transfer of electrons, which can result in decreased PEMFC power output. Furthermore, corrosion films can grow over time, which leads to greater contact resistance. Significantly, if the products of such corrosion can be ionized (e.g., Fe 2+ or Fe 3+ ), an acidic solution containing such ions can be transported to other fuel cell components. Within PEMFC stacks, Fe dissolution can poison the Pt catalyst, for example, which leads to reduced reaction rates of H 2 and O 2 adsorptions, H 2 O formation and poor fuel cell efficiency.
Unter zahlreichen Bestrebungen zur Verhinderung oder Verlangsamung der Korrosion von Metallen sind verschiedene Arten von Beschichtungen entwickelt worden. Beispiele schließen aufgebrachte Überzüge, wie Farbe, Beschichtung bzw. Galvanisierung, Emaille, reaktive Überzüge, inklusive Korrosionshemmer, wie Chromate, Phosphate, leitende Polymere, tensidähnliche Chemikalien, die dafür ausgelegt sind, elektrochemische Reaktionen zwischen der Umgebung und dem Metallsubstrat zu unterdrücken, anodisierte Oberflächen und Biofilmüberzüge, ein. Im Fall von BPPs, die in PEMFC-Stapeln verwendet werden, kann eine Korrosionsbeständigkeit durch die Verwendung von Behandlungstechniken, wie die Einführung von leitenden Oxid- und/oder Nitrid-Überzügen auf den rostfreien Stahl verliehen werden. Trotz solcher Techniken ist die korrosive Entstehung von Fe2O3 unvermeidbar, wenn Fe-Metall gegenüber Wasser und Sauerstoff ausgesetzt wird, wie es unter den sauren Betriebsbedingungen der PEMFC-Umgebung der Fall ist.Various types of coatings have been developed with numerous efforts to prevent or slow the corrosion of metals. Examples include applied coatings, such as paint, coating or electroplating, enamel, reactive coatings, including corrosion inhibitors, such as chromates, phosphates, conductive polymers, surfactant-like chemicals, which are designed to suppress electrochemical reactions between the environment and the metal substrate, anodized surfaces and biofilm coatings. In the case of BPPs used in PEMFC stacks, corrosion resistance can be imparted through the use of treatment techniques such as the introduction of conductive oxide and / or nitride coatings on the stainless steel. Despite such techniques, the corrosive formation of Fe 2 O 3 is inevitable when Fe metal is exposed to water and oxygen, as is the case under the acidic operating conditions of the PEMFC environment.
Wie in der vorliegenden Offenbarung beschrieben, sind einige an der Oberfläche gebildete Fe2O3-Arten in rostfreiem Stahl - und in anderen hauptsächlich aus Fe bestehenden Metallzusammensetzungen - gegenüber einer Metallauflösung beständiger. Es können Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Berechnungen nach den Grundprinzipien zur Bestimmung der relevanten Energetik von Fe2O3-OxidOberflächen verwendet werden. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung kann die Bildung von korrosionsbeständigen Fe2O3-Oberflächen sorgfältig gesteuert und auf BPPs aus rostfreiem Stahl übertragen werden, indem man den engen Bereich von Fe2O3-Oberflächenenergien, die gegenüber Synthesebedingungen und der lokalen Umgebung empfindlich sind, genau einstellt.As described in the present disclosure, some surface Fe 2 O 3 species in stainless steel - and in other metal compositions primarily composed of Fe - are more resistant to metal dissolution. Density functional theory (DFT) calculations based on the basic principles can be used to determine the relevant energetics of Fe 2 O 3 oxide surfaces. In accordance with the present disclosure, the formation of corrosion-resistant Fe 2 O 3 surfaces can be carefully controlled and transferred to stainless steel BPPs by using the narrow Precisely adjusts the range of Fe 2 O 3 surface energies that are sensitive to synthesis conditions and the local environment.
Ein nicht-einschränkendes Beispiel einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle ist in der
Die BPP 20 wird in einem PEMFC-Stapel zur Verteilung von Gas, zum Gewinnen von Strom und zum Abtrennen einzelner Zellen in dem Stapel voneinander implementiert. Die BPP 20 stellt auch zusätzliche Funktionen bereit, wie die Entfernung von Reaktionsprodukten und Wasser, sowie das Wärmemanagement innerhalb der PEMFC 10. Die BPP 20 ist somit ein wesentlicher Bestandteil der PEMFC 10. Die BPP 20 ist auch sowohl eine relativ teure Komponente als auch ein häufiger Grund für eine Verschlechterung des PEMFC-Systems. Zum Beispiel können BPPs etwa 60 bis 80% des Stapelgewichts der PEMFC 10, etwa 50% des Stapelvolumens und etwa 25-45% der Stapelkosten ausmachen. Die BPP 20 stellt noch eine andere Herausforderung an das Material dar, da die BPP 20 auch ausreichend elektrisch leitend sein muss, um einen Elektronentransfer für die Sauerstoffreduktionsreaktion zu ermöglichen. Demzufolge sollte das Material der BPP 20 sowohl elektrisch leitend als auch chemisch inert gegenüber Reaktionen mit Ionen sein, die in der PEMFC 10-Umgebung vorhanden sind.The
Die Metalloberfläche der BPP 20, die rostfreien Stahl umfassen kann, kann einen Überzug, wie einen graphitartigen Überzug oder einen schützenden Oxid- und/oder Nitrid-Überzug zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit der BPP 20 einschließen. Die BPP 20-Oberfläche kann somit Elemente, wie Fe, Cr, Ni, Mo, Mn, Si, P, C, S oder eine Kombination davon, einschließen. Alternative Überzüge schließen eine Ti-Legierung, dotiertes TiOx, TiN, CrN oder ZrN ein. Wiederum sind, selbst wenn solche Überzüge eingesetzt werden, in einer aggressiv-korrosiven Umgebung, wie diejenige der PEMFC 10, Materialien, Strukturen und Techniken zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit von BPP-Materialien (z. B. rostfreier Stahl) erwünscht. Gemäß hierin dargelegten Ausführungsformen werden Materialien, Strukturen und Techniken zum Erhöhen der Korrosionsbeständigkeit von BPPs aus rostfreiem Stahl offenbart.The metal surface of the
Ein nicht-einschränkendes Beispiel einer bipolaren Platte (BPP) 20 der PEMFC ist in der
Die Dicke des Oberflächenbereichs 24 und seiner damit verbundenen korrosionsbeständigen Eisenoxidfilmschicht kann entsprechend der spezifischen Anwendung angepasst werden und kann von einigen nm bis zu etwa 1 µm reichen. Die Eisenoxidfilmschicht selbst kann auch in der Dicke von etwa 1 nm bis zu etwa 1 µm reichen. Nicht-einschränkende Beispiele von solchen Dicken können etwa 0,1 bis 0,8 µm, 0,2 bis 0,6 µm oder 0,3 bis 0,5 µm sein. In einer oder mehreren Ausführungsform(en) kann die Dicke des korrosionsbeständigen Eisenoxidfilms zwischen 1 nm und 0,5 µm liegen. In anderen Ausführungsformen kann die Dicke des korrosionsbeständigen Eisenoxidfilms zwischen 150 nm und 0,3 µm liegen.The thickness of the
Oberflächen aus α-Fe2O3-Eisenoxid können durch ihre atomaren morphologischen Strukturen charakterisiert werden. Solche Oberflächenfacettenstrukturen können durch die folgenden Miller-Indices definiert werden: (001), (110), (100), (101) und (012). Jede von diesen morphologischen α-Fe2O3-Oberflächen ist in den
Die Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Oberflächenenergie der Eisenoxid-Fe2O3-Oberflächen, die in den
Wie in der Tabelle 1 gezeigt, ist (012)-Fe2O3 die energetisch günstigste Oberflächenfacettenstruktur, gefolgt von (001)- und (110)-Fe2O3. (101)- und (100)-Fe2O3 zeigen die höchsten DFT-Oberflächenenergien und sind daher weniger vorteilhaft als die anderen Eisenoxid-Oberflächenstrukturen.As shown in Table 1, (012) -Fe 2 O 3 is the energetically most favorable surface facet structure, followed by (001) - and (110) -Fe 2 O 3 . (101) - and (100) -Fe 2 O 3 show the highest DFT surface energies and are therefore less advantageous than the other iron oxide surface structures.
In Metallen auf Fe-Basis, wie rostfreier Stahl, bildet sich Rost entsprechend den folgenden Reaktionen. Im Besonderen bildet Fe2O3 bei einer Exposition gegenüber Wasser und Luft Fe2O3 ·xH2O, wie nachstehend dargelegt:
Angesichts der obigen Reaktionsabläufe bei der Bildung von Rost in Metallen auf Fe-Basis, wie rostfreier Stahl, kann die atomare Struktur von Eisenoxid-Fe2O3-Oberflächen durch -OH-Terminierung charakterisiert werden. Nicht-einschränkende Beispiele der atomaren Strukturen von Eisenoxidoberflächen, die eine -OH-Terminierung einschließen, werden in den
Eine Graphik, welche die Oberflächenenergie von Eisenoxidoberflächen als eine Funktion der zunehmenden -OH-Terminierung darstellt, ist in der
Wie anhand der
Graphiken, in welchen der Gitterparameter c und der berechnete Bandabstand einer Fe2O3-Massenstruktur auftragen ist, wobei unterschiedliche U-Werte auf Fe in den DFT-Berechnungen angewandt werden, sind in den
Graphiken der Dichte von Zuständen (DOS) von Fe2O3 bei unterschiedlichen U-Werten sind in den
In Anbetracht der oben besprochenen Parameter für die genaue Darstellung des Fe2O3-Systems - sowohl strukturell (Partikelformen) als auch elektronisch (Dichte von Zuständen) - kann die Energie, die zur Entfernung eines Fe-Atoms in jedem System von (101)-, (001)-, (110)-, (012)- und (100)-Fe2O3 durch Berechnung bestimmt werden. Die Tabelle 2 weiter unten legt die geringste Bildung von Fe-Vakanzen in der Oberfläche der verschiedenen Fe2O3-Oberflächen, die oben beschrieben werden, dar. Wie in der Tabelle 2 gezeigt, wäre es am schwierigsten, Fe aus den (110)-, (012)- und (100)-Fe2O3-Oberflächen zu entfernen, und vergleichsweise einfacher, Fe aus (101)- und (001)-Fe2O3-Oberflächen zu entfernen.
Tabelle 2
Die mit der Bildung von Fe-Vakanzen in DFT-Oberflächen verbundene Energie wurde auf der Basis der folgenden Gleichung (2) bestimmt:
Gemäß den in der Tabelle 2 aufgezeichneten Daten kann, wenn der Fe2O3-Film mit (110)-, (012)- und (100)-Oberflächenfacetten wachsen gelassen werden kann, die Fe-Auflösung im Vergleich mit dem Fe2O3-Film, der durch (101)- und (001)-Oberflächenfacetten dominiert wird, schwieriger sein. Wie bereits in der
In einer oder mehreren der Ausführungsformen wird rostfreier Stahl mit einer korrosionsbeständigen Oberflächen-Oxidschicht, die (110)-, (012)- und/oder (100)-Fe2O3-Oberflächenfacetten umfasst, für eine PEMFC-BPP verwendet. In anderen Ausführungsformen wird rostfreier Stahl mit einer korrosionsbeständigen Oberflächen-Oxidschicht, die (001)-Fe2O3-Oberflächenfacetten umfasst, für eine PEMFC-BPP verwendet. Andere günstige Oberflächenfacetten können eine Familie von Gitterebenen von (110), (012), (100) und/oder (001), wie (006), (113), (024), (116), (122), (213), (300), etc., einschließen. Wie weiter oben beschrieben, kann die Dicke der korrosionsbeständigen Oxidschicht entsprechend den Anforderungen einer spezifischen Anwendung angepasst werden und kann von etwa 1 nm bis etwa 1 µm reichen. Nicht-einschränkende Beispiele von solchen Dicken können etwa 0,1 bis 0,8 µm, 0,2 bis 0,6 µm oder 0,3 bis 0,5 µm sein. In bestimmten Ausführungsformen kann die Dicke zwischen 1 nm und 0,5 µm liegen. In anderen Ausführungsformen kann die Dicke des korrosionsbeständigen Eisenoxidfilms zwischen 150 nm und 0,3 µm liegen.In one or more of the embodiments, stainless steel with a corrosion-resistant surface oxide layer comprising (110), (012) and / or (100) -Fe 2 O 3 surface facets is used for a PEMFC-BPP. In other embodiments, stainless steel with a corrosion resistant surface oxide layer comprising (001) -Fe 2 O 3 surface facets is used for a PEMFC-BPP. Other favorable surface facets can be a family of lattice planes of (110), (012), (100) and / or (001), such as (006), (113), (024), (116), (122), (213 ), (300), etc. As described above, the thickness of the corrosion-resistant oxide layer can be adjusted according to the requirements of a specific application and can range from about 1 nm to about 1 μm. Non-limiting examples of such thicknesses can be about 0.1 to 0.8 µm, 0.2 to 0.6 µm, or 0.3 to 0.5 µm. In certain embodiments, the thickness can be between 1 nm and 0.5 µm. In other embodiments, the thickness of the corrosion-resistant iron oxide film can be between 150 nm and 0.3 µm.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird ein Substrat aus rostfreiem Stahl mit einer korrosionsbeständigen Oberflächen-Oxidschicht, definiert durch eine Oberflächenmorphologie, die eine erste Oberflächenfacettengruppe, die (110)-, (012)- und (100)-Fe2O3-Oberflächen einschließt, und eine zweite Oberflächenfacettengruppe, die (001)- und (101)-Fe2O3-Oberflächen einschließt, offenbart. In einigen Ausführungsformen kann die erste Oberflächenfacettengruppe ausschließlich (110)-, (012)- oder (100)-Fe2O3-Oberflächen einschließen. In anderen Ausführungsformen kann die erste Oberflächenfacettengruppe zwei oder mehr von den (110)-, (012)- und (100)-Fe2O3-Oberflächenstrukturen einschließen. In ähnlicher Weise kann in einigen Ausführungsformen die zweite Oberflächenfacettengruppe ausschließlich (001)- oder (101)-Fe2O3-Oberflächen einschließen. In anderen Ausführungsformen kann die zweite Oberflächenfacettengruppe sowohl (001)- als auch (101)-Fe2O3-Oberflächenstrukturen einschließen. In bestimmten Ausführungsformen umfasst die Fe2O3-Oxidschicht vorwiegend Fe2O3-Oberflächenstrukturen der ersten Oberflächenfacettengruppe. In einigen Ausführungsformen kann das Substrat aus rostfreiem Stahl eine korrosionsbeständige Oberflächen-Oxidschicht einschließen, die durch eine Oberflächenmorphologie charakterisiert ist, die 70% bis 90% der ersten Oberflächenfacettengruppe und 10% bis 30% der zweiten Oberflächenfacettengruppe umfasst. So kann das Verhältnis der ersten Oberflächenfacettengruppe zu der zweiten Oberflächenfacettengruppe gemäß bestimmten Ausführungsformen im Bereich von 9:1 bis 7:3 liegen. Gemäß anderen Ausführungsformen kann das Substrat aus rostfreiem Stahl eine korrosionsbeständige Oberflächen-Oxidschicht einschließen, die durch eine Oberflächenmorphologie charakterisiert ist, die mehr als 90% der ersten Oberflächenfacettengruppe umfasst. In wenigstens einer weiteren Ausführungsform kann die korrosionsbeständige Oberflächen-Oxidschicht durch eine Oberflächenmorphologie charakterisiert sein, die mehr als 95% der ersten Oberflächenfacettengruppe umfasst. Andere Ausführungsformen können eine korrosionsbeständige Oberflächen-Oxidschicht einschließen, die durch eine Oberflächenmorphologie charakterisiert ist, die 100% der ersten Oberflächenfacettengruppe umfasst. Einige Ausführungsformen können eine amorphe FeOx-Oberflächenstruktur einschließen, wobei x von 1 bis 2 reicht. Weitere Metallverunreinigungen können ebenfalls eingeschlossen sein. Solche Metalle schließen Cr, Ni, Co, Mn und Si ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt.According to certain embodiments, a stainless steel substrate is provided with a corrosion resistant surface oxide layer defined by a surface morphology that includes a first surface facet group that includes (110), (012) and (100) Fe 2 O 3 surfaces, and a second Surface facet group including (001) and (101) -Fe 2 O 3 surfaces are disclosed. In some embodiments, the first surface facet group can exclusively include (110), (012), or (100) -Fe 2 O 3 surfaces. In other embodiments, the first surface facet group can include two or more of the (110), (012), and (100) -Fe 2 O 3 surface structures. Similarly, in some embodiments, the second surface facet group may exclusively include (001) or (101) Fe 2 O 3 surfaces. In other embodiments, the second surface facet group can include both (001) and (101) -Fe 2 O 3 surface structures. In certain embodiments, the Fe 2 O 3 oxide layer comprises predominantly Fe 2 O 3 surface structures of the first surface facet group. In some embodiments, the stainless steel substrate can include a corrosion resistant surface oxide layer characterized by a surface morphology comprising 70% to 90% of the first surface facet group and 10% to 30% of the second surface facet group. Thus, according to certain embodiments, the ratio of the first surface facet group to the second surface facet group can be in the range from 9: 1 to 7: 3. In other embodiments, the stainless steel substrate may include a corrosion resistant surface oxide layer characterized by a surface morphology that comprises greater than 90% of the first group of surface facets. In at least one further embodiment, the corrosion-resistant surface oxide layer can be characterized by a surface morphology which comprises more than 95% of the first surface facet group. Other embodiments may include a corrosion-resistant surface oxide layer characterized by a surface morphology that includes 100% of the first surface facet group. Some embodiments may include an amorphous FeO x surface structure, where x ranges from 1 to 2. Other metal contaminants can also be included. Such metals include, but are not limited to, Cr, Ni, Co, Mn and Si.
Das Vorliegen von unterschiedlichen Fe2O3-0berflächenfacetten kann mithilfe einer Pulver-Röntgenbeugung (XRD) oder einem hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskop (HR-TEM) verifiziert werden. Zum Beispiel ist der (012)-Peak für Fe2O3 zwischen 24 bis 26° 2θ lokalisiert, (110) ist zwischen 35 bis 38° 2θ lokalisiert und (300) ist zwischen 62 bis 65° 2θ lokalisiert, wenn mittels XRD mit einer Cu-Kα-Quelle (λ = 1,54 Å) gemessen wird. Das relative Verhältnis von verschiedenen Ebenen kann ferner unter Verwendung der relativen XRD-Höhe und/oder der ganzen Breite bei halbem Maximum quantifiziert werden. Fe2O3 mit mehr (110)- und (012)-[Anteilen] kann mittels HR-TEM mit einem d-Abstand von -0,25 nm identifiziert werden, wobei solche Strukturen als eine kubische oder pseudokubische Form auftreten können. Natürlich kann, nachdem sich mehr (001)-Fe2O3 gebildet hat, Fe2O3 als eine hexagonale Form auftreten.The presence of different Fe 2 O 3 surface facets can be verified using powder X-ray diffraction (XRD) or a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM). For example, the (012) peak for Fe 2 O 3 is located between 24 to 26 ° 2θ, (110) is located between 35 to 38 ° 2θ and (300) is located between 62 to 65 ° 2θ when using XRD a Cu-Kα source (λ = 1.54 Å) is measured. The relative ratio of different planes can also be quantified using the relative XRD height and / or the full width at half maximum. Fe 2 O 3 with more (110) - and (012) - [fractions] can be identified by HR-TEM with a d-spacing of -0.25 nm, whereby such structures can appear as a cubic or pseudocubic shape. Of course, after more (001) -Fe 2 O 3 has formed, Fe 2 O 3 can appear as a hexagonal shape.
Nicht-einschränkende Beispiele von Pulver-Röntgenbeugungs (XRD)-Graphiken für zwei verschiedene Fe2O3-Proben sind in den
In einer oder mehreren der Ausführungsformen umfassen BPPs aus rostfreiem Stahl, welche die offenbarten korrosionsbeständigen Oxidoberflächenschichten nutzen, wenigstens 10 bis 20% Chrom (Cr) und 5 bis 10% Nickel (Ni). Andere Elemente in dem rostfreien Stahl können Molybdän (~1 bis 2%), Kohlenstoff (-0,03%), Mangan (1 ~ 2%), Silicium (0,5 - 2%), Stickstoff (0,01 - 0,1%), Kupfer (0,5 - 2%) und Kobalt (<0,5%) einschließen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, wobei der Rest Eisen (Fe) ist. Auf der BPP-Oberfläche kann des Weiteren ein stabiler Cr-Oxidfilm (zusätzlich zu den hierin beschriebenen speziellen Fe2O3-Oxidfilmen) vorhanden sein, um die Korrosion des BPP-Materials zu verlangsamen. In einigen Ausführungsformen können andere kristalline und/oder amorphe Metalloxide, die NiO, MoO2, MoO3, MnO, Mn2O3, MnO2, SiO2, CuO, Co3O4, etc. einschließen, ohne darauf beschränkt zu sein, auch zur Unterdrückung der Korrosion des BPP-Materials verwendet werden.In one or more of the embodiments, stainless steel BPPs utilizing the disclosed corrosion resistant oxide surface layers comprise at least 10 to 20% chromium (Cr) and 5 to 10% nickel (Ni). Other elements in the stainless steel can be molybdenum (~ 1 to 2%), carbon (-0.03%), manganese (1 ~ 2%), silicon (0.5-2%), nitrogen (0.01-0 , 1%), copper (0.5-2%) and cobalt (<0.5%) include, but are not limited to, the remainder being iron (Fe). A stable Cr oxide film (in addition to the special Fe 2 O 3 oxide films described herein) can also be present on the BPP surface in order to slow down the corrosion of the BPP material. In some embodiments, other crystalline and / or amorphous metal oxides, including but not limited to NiO, MoO 2 , MoO 3 , MnO, Mn 2 O 3 , MnO 2 , SiO 2 , CuO, Co 3 O 4 , etc., can be included , can also be used to suppress the corrosion of the BPP material.
Aufgrund ihrer Zusammensetzung, Struktur und Morphologie können BPPs, die aus den Fe2O3-Oberflächen und Überzügen, die gemäß bestimmten Ausführungsformen offenbart werden, aufgebaut sind, eine Reihe von erwünschten Eigenschaften einschließen. BPPs, die aus den hierin offenbarten Fe2O3-Oberflächen und Überzügen aufgebaut sind, können zum Beispiel Korrosionsbeständigkeiten von weniger als etwa 1 µA cm-2 bei 80°C, bei pH = 2 bis 3 in der Gegenwart von ungefähr 0,1 ppm HF in der Lösung zeigen. In anderen Ausführungsformen können die BPP-Oxidüberzüge einen Korrosionsstrom von wenigstens weniger als etwa 0,5 bis 10, 1 bis 8 oder 1,5 bis 5 µA cm-2 bei denselben Betriebsbedingungen erreichen. Die elektrischen Leitfähigkeiten der BPP-Oxidüberzüge können größer als 100 S cm-1 sein, wobei die Dicke der Überzugsschicht optimiert werden kann, um die Zielleitfähigkeit zu erreichen. In bestimmten Ausführungsformen betragen die elektrischen Leitfähigkeiten der BPP-Oxidüberzüge zwischen 100 und 150, 110 und 140 oder 120 und 130 S cm-1. In anderen Ausführungsformen betragen die elektrischen Leitfähigkeiten der BPP-Überzüge zwischen 0,1 und 100, 1 und 80 oder 10 und 50 S cm-1. Der Kontaktwiderstand der Grenzflächen zwischen dem Substrat aus rostfreiem Stahl und dem gegebenen BPP-Überzug kann weniger als etwa 0,01 Ohm cm2 betragen. In bestimmten Ausführungsformen beträgt der Kontaktwiderstand der Grenzflächen zwischen 0,001 und 0,2, 0,005 und 0,1 oder 0,01 und 0,05 Ohm cm2.Because of their composition, structure, and morphology, BPPs constructed from the Fe 2 O 3 surfaces and coatings disclosed in accordance with certain embodiments can include a number of desirable properties. BPPs constructed from the Fe 2 O 3 surfaces and coatings disclosed herein can, for example, have corrosion resistances of less than about 1 µA cm -2 at 80 ° C, at pH = 2 to 3 in the presence of about 0.1 Show ppm HF in the solution. In other embodiments, the BPP oxide coatings can have a corrosion current of at least less than about Reach 0.5 to 10, 1 to 8 or 1.5 to 5 µA cm -2 under the same operating conditions. The electrical conductivities of the BPP oxide coatings can be greater than 100 S cm -1 , and the thickness of the coating layer can be optimized in order to achieve the target conductivity. In certain embodiments, the electrical conductivities of the BPP oxide coatings are between 100 and 150, 110 and 140 or 120 and 130 S cm -1 . In other embodiments, the electrical conductivities of the BPP coatings are between 0.1 and 100, 1 and 80 or 10 and 50 S cm -1 . The contact resistance of the interfaces between the stainless steel substrate and the given BPP coating can be less than about 0.01 ohm cm 2 . In certain embodiments, the contact resistance of the interfaces is between 0.001 and 0.2, 0.005 and 0.1, or 0.01 and 0.05 ohm cm 2 .
Des Weiteren wird eine Reihe von Verfahren zum Wachsen lassen der korrosionsbeständigen Oxidfilmschichten hierin offenbart. In wenigstens einer Ausführungsform schließt das Verfahren das Wachsen lassen des Fe2O3-Oxidfilms auf dem rostfreien Stahl durch die Verwendung eines Verfahrens auf Lösungsbasis ein. Eine Hydrolyse kann bei 80 bis 100°C in einem Wasserbad mit einer unterschiedlichen Alterungszeit von 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 oder 60 Minuten durchgeführt werden. In einer oder mehreren der Ausführungsformen wird eine Hydrolyse bei 25 bis 100°C in einem Wasserbad mit einer Alterungszeit von zwischen 1 Minute und 120 Minuten durchgeführt. Die Reaktionszeit kann ebenfalls von 2 bis 96 Stunden variieren und kann gemäß einigen Ausführungsformen zwischen 24 und 72 Stunden dauern. Das Vorhandensein eines Fehaltigen Vorläufers, wie FeCl3, mit einer Säure, wie HCl, HNO3, H2SO4, kann zusätzlich zur Steuerung der Keimbildung bei verschiedenen Oberflächenfacetten-Formationen beitragen. Das Verfahren auf Lösungsbasis kann weiterhin eine Säure- und/oder Basenbehandlung mit einem anderen Typ von oxidierenden und/oder reduzierenden chemischen Agentien einschließen.A number of methods for growing the corrosion resistant oxide film layers are also disclosed herein. In at least one embodiment, the method includes growing the Fe 2 O 3 oxide film on the stainless steel using a solution-based method. Hydrolysis can be carried out at 80 to 100 ° C in a water bath with different aging times of 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 or 60 minutes will. In one or more of the embodiments, hydrolysis is carried out at 25 to 100 ° C. in a water bath with an aging time of between 1 minute and 120 minutes. The reaction time can also vary from 2 to 96 hours and, according to some embodiments, can be between 24 and 72 hours. The presence of a containing precursor such as FeCl 3 with an acid such as HCl, HNO 3 , H 2 SO 4 can additionally help control the nucleation of various surface facet formations. The solution-based process can further include acid and / or base treatment with another type of oxidizing and / or reducing chemical agent.
Ein alternatives Verfahren zum Wachsen lassen des bzw. der hierin offenbarten Fe2O3-Oxidfilms(e) schließt elektrochemische Verfahren ein. Gemäß einem solchen Verfahren kann rostfreier Stahl poliert und mit einem organischen Lösungsmittel, wie Ethanol, gereinigt und dann elektrochemisch oxidiert werden. Die Arbeitselektrode ist typischerweise rostfreier Stahl, wobei die Gegen- und Referenzelektroden in Abhängigkeit von den Spannungsfenstern variieren können. Typischerweise können bzw. kann Pt-Folie und/oder Ag/AgCl (mit gesättigtem KCl) als Gegen- und Referenzelektroden verwendet werden. Die eingetauchte elektrolytische Lösung kann eine Säure mit einer variierten Konzentration sein (z. B. 0,01 bis 1 M Schwefelsäure), wobei der exakte pH-Wert (der von pH-Wert 1 bis 13 reicht) nach Bedarf angepasst oder neutralisiert werden kann. Das elektrochemische Verfahren kann ferner die Verwendung von sauren und/oder basischen Lösungen, wie HCl, H2SO4, HClO4, NaOH und KOH, einschließen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.An alternative method of growing the Fe 2 O 3 oxide film (s) disclosed herein includes electrochemical methods. According to such a method, stainless steel can be polished and cleaned with an organic solvent such as ethanol and then oxidized electrochemically. The working electrode is typically stainless steel, and the counter and reference electrodes can vary depending on the voltage windows. Typically, Pt foil and / or Ag / AgCl (with saturated KCl) can be used as counter and reference electrodes. The immersed electrolytic solution can be an acid with a varied concentration (e.g. 0.01 to 1 M sulfuric acid), the exact pH (which ranges from
Noch ein weiteres Verfahren zum Wachsen lassen des bzw. der hierin offenbarten Fe2O3-Oxidfilms(e) schließt eine Wärmebehandlung ein. Rostfreier Stahl kann in einem Kammerofen bei Temperaturen, die von 150 bis 900°C variieren, in der Gegenwart eines milden Oxidationsmittels, wie Luft oder Sauerstoff, wärmebehandelt werden. Das Wärmebehandlungsverfahren kann ferner die Einstellung der Erwärmungs- und/oder Abkühlungsrate auf 1 bis 10 Grad pro Minute einschließen. Der Abühlungsvorgang kann durch einen natürlichen Abkühlungs- oder einen raschen Abschreckungsschritt bewerkstelligt werden.Yet another method of growing the Fe 2 O 3 oxide film (s) disclosed herein includes heat treatment. Stainless steel can be heat treated in a box furnace at temperatures varying from 150 to 900 ° C in the presence of a mild oxidizing agent such as air or oxygen. The heat treatment process can further include adjusting the heating and / or cooling rate to 1 to 10 degrees per minute. The cooling process can be accomplished by a natural cooling or a rapid quenching step.
Während die BPP einer PEMFC als eine geeignete Anwendungsmöglichkeit für die weiter oben dargelegten korrosionsbeständigen Eisenoxide beschrieben wurde, können die offenbarten Oxidschichten desgleichen für weitere Anwendungen geeignet sein. Zum Beispiel können die offenbarten korrosionsbeständigen Oxidfilme als Teil eines Oberflächenbereichs im Rahmen anderer industrieller Anwendungen verwendet werden, die ein chemisch inertes, leitfähiges Material erfordern, wie Batterien, Photovoltaik, Verbraucher- bzw. Unterhaltungselektronik, und/oder wo ansonsten ein leitendes und inertes Oxid vorteilhaft wäre. Des Weiteren kann ein Oberflächenbereich einer anwendbaren Vorrichtung einen relativ dünnen korrosionsbeständigen Oxidfilm in der Weise einschließen, dass der Film transparent ist. Das Material kann so als ein transparenter leitender Oxidfilm fungieren, der zum Beispiel in der Photovoltaik genutzt werden kann.While the BPP of a PEMFC has been described as a suitable application for the corrosion-resistant iron oxides set out above, the oxide layers disclosed may be suitable for other applications as well. For example, the disclosed corrosion resistant oxide films can be used as part of a surface area in other industrial applications that require a chemically inert, conductive material, such as batteries, photovoltaics, consumer electronics, and / or where otherwise a conductive and inert oxide is advantageous would. Furthermore, a surface area of an applicable device may include a relatively thin, corrosion-resistant oxide film such that the film is transparent. The material can thus act as a transparent conductive oxide film that can be used, for example, in photovoltaics.
Es wurden zwar beispielhafte Ausführungsformen oben stehend beschrieben, doch ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr ist der in der Patentschrift verwendete Wortlaut ein beschreibender Wortlaut und bedeutet keine Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der Erfindung abzuweichen. Des Weiteren können die Merkmale von verschiedenen Durchführungen der Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung auszubilden.While exemplary embodiments have been described above, it is not intended that these embodiments describe all possible forms of the invention. Rather, the wording used in the specification is descriptive and not restrictive, and it is understood that various changes can be made without departing from the spirit and scope of the invention. Furthermore, the features of different implementations of the embodiments can be combined to form further embodiments of the invention.
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